吉大实现10米以上贝塞尔高斯光束，进一步深入开展角动量光子学打好了基础

发布时间：2023-07-04 10:51:49 所属栏目：动态来源：

导读：近年来，凭借大景深和可自愈性的优势，贝塞尔光束在量子纠缠、水下三维成像、空间通信、光学微操控等领域有着十分广泛的应用。这个使用非线性集成光学晶体的方法可以用来产生并操控高性能的贝塞尔光束，也是应用物理

近年来，凭借大景深和可自愈性的优势，贝塞尔光束在量子纠缠、水下三维成像、空间通信、光学微操控等领域有着十分广泛的应用。这个使用非线性集成光学晶体的方法可以用来产生并操控高性能的贝塞尔光束，也是应用物理学家近些年的热门课题。

一般来说，贝塞尔光束传播长度都非常短，只有毫米量级，因此很难用于通信和传感等领域。多年来，这一问题始终困扰着科学家们。

基于此他和团队在想：能否使用类似形状的“光学相控阵”，来产生长距离的贝塞尔光束？幸运的是，当课题组利用 64 路圆环排列的光栅阵列作为“光学相控阵”时，果然产生了 10 米以上距离的贝塞尔高斯光束。

通过这项研究，对于利用硅基光电子集成技术来产生和操控贝塞尔高斯光束（即涡旋光束）来说，他们也有了更深刻的认识。相关成果也能为高维度的激光通信、激光传感，以及更深入的“角动量光子学”铺平道路。

这种利用硅光芯片产生贝塞尔高斯光束的方法，有望为多个研究领域打开新的大门。比如在空间激光通信方面，贝塞尔光束与普通激光光束相比，前者最大的优势就是自愈性，即它在穿过小障碍物（如灰尘、小水滴等）后光束不变形，因此具有更好的抗干扰性。同时，涡旋光的阶数（拓扑荷数）也为空间通信提供了一个新的调制维度。

在传感上，该团队制作的贝塞尔高斯光束由正负一阶涡旋光组成，正如他们在论文里验证的那样，这种贝塞尔高斯光束可被用于旋转角速度的测量；在微操控上，可以对纳米粒子进行抓取、挑选等操作；在量子领域，这种具有确定“量子化”角动量的光子，可被用于研究光子与微观粒子角动量之间的耦合作用等。

该研究组认为,用圆周分布的光栅阵列结构可以产生具有长距离波束传导性的 Beselgauth光束,并且能够利用硅基光电子集成芯片实现。

定下想法之后则要建立物理模型，并确立光子芯片的结构参数。为此，该团队调研了1987 年以来的大量科研文献，并结合课题组在光学相控阵激光雷达设计方面的经验，确定了光子芯片的结构参数。

在探索应用研究的时候，课题组发现贝塞尔高斯光束由两个正负一阶涡旋光束叠加而成，利用多普勒效应可以建立回转速度与涡旋光束的偏频,然后通过测量偏频频率,通过计算回转速度,对回转速度有很强的理论支持,同时也给出了一种可靠的方法。

“虽然这种机制早在 2013 年就已经被提出，但是利用小于1 平方毫米的光子芯片进行实验验证的，目前我们是唯一一个。另外，我们也进行了激光雷达的测距研究，从而为高维度激光雷达提供了新方法。”宋俊峰表示。

于是，他们采用简单的高斯光束叠加模型，结果发现偏振分布与实验并不相符。最后，课题组建立了采用旋转全息坐标系三维扫描结合偏振光矢量分解的高斯光束叠加的模型，这一次的偏振分布和数值模拟的实验结果是吻合的。“在实验与理论的反复验证过程中，也让我们学到了更多知识。”宋俊峰表示。

就在准备放弃的那个晚上，实验台上终于出现了预期的现象。在接下来的两周里大家反复调试，实验结果也越来越好。学生们对此也深有感触：“很多时候与成功的距离非常接近，只是由于一些细节没有做好，就走了很多弯路”；“只要理论上模拟是对的，实验上就一定能做出来”。

（编辑：汽车网）

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